VẬT LÝ KIẾN TRÚC CHƯƠNG 3 (1): TRUYỀN NHIỆT VÀ CÁCH NHIỆT CỦA KẾT CẤU BAO CHE

3.1. Một số khái niệm cơ bản về truyền nhiệt Một số khái niệm Các phương thức truyền nhiệt 3.2. Truyền nhiệt ổn định qua KCBC3.2.1. Bài toán truyền nhiệt ổn định một chiều hay bài toán cách nhiệt cho kết cấu trong mùa lạnh3.2.2. Yêu cầu cách nhiệt chống lạnh3.3. Truyền nhiệt dao động điều hòa qua KCBC3.3.1. Bài toán truyền nhiệt dao động điều hòa trong mùa hè hay bài toán cách nhiệt cho kết cấu trong mùa nóng3.3.2. Yêu cầu cách nhiệt chống nóng3.4. Cách nhiệt cho mái và tường

Chương 3: Truyền nhiệt và cách nhiệt của các kết cấu bao

che

(heat transfer & thermal isulation)

3.1 Một số khái niệm cơ bản về truyền nhiệt

- Một số khái niệm

- Các phương thức truyền nhiệt

3.2 Truyền nhiệt ổn định qua KCBC

• 3.2.1 Bài toán truyền nhiệt ổn định một chiều hay bài toán cách nhiệt cho kết cấu trong mùa lạnh

• 3.2.2 Yêu cầu cách nhiệt chống lạnh

3.3 Truyền nhiệt dao động điều hòa qua KCBC

• 3.3.1 Bài toán truyền nhiệt dao động điều hòa trong mùa hè hay bài toán

cách nhiệt cho kết cấu trong mùa nóng

• 3.3.2 Yêu cầu cách nhiệt chống nóng

3.4 Cách nhiệt cho mái và tường

3.1 Khái niệm cơ bản về truyền nhiệt

3.1 Khái niệm cơ bản về truyền nhiệt

-Trường nhiệt : sự phân bố nhiệt độ trong môi trường vật chất

Ổn định / không ổn định

Biến thiên theo 1,2,3 chiều không gian

+ nhiệt độ biến thiên theo 1 chiều trong không gian: thường xảy ra trên mảng tường phẳng

δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0t/δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0x ≠ 0, δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0t/δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0y = 0, δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0t/δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0z = 0 + nhiệt độ biến thiên theo 2 chiều trong không gian: thường xảy ra ở các góc tường

δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0t/δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0x ≠ 0, δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0t/δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0y ≠ 0, δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0t/δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0z = 0 + nhiệt độ biến thiên theo 3 chiều trong không gian: tiếp giáp giữa góc tường và mái,

δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0t/δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0x ≠ 0, δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0t/δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0y ≠ 0, δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0t/δt/δx ≠ 0, δt/δy = 0, δt/δz = 0z ≠ 0

- Truyền nhiệt: khi có sự chênh lệch nhiệt độ thì xảy ra truyền nhiệt;

- Đặc điểm truyền nhiệt hay tính chất truyền nhiệt, xét theo thời gian:

+ Truyền nhiệt ổn đinh: trong suốt quá trình truyền nhiệt thì nhiệt độ môi trường không thay đổi theo thời gian, kể cả hướng và giá trị;

+ Truyền nhiệt không ổn định: ngược lại, nhiệt độ môi trường biến thiên lúc lớn lúc nhỏ trong quá trình truyền nhiệt;

3.1.1 D n nhi t ẫn nhiệt ệt

• Xảy ra khi các phần tử vật chất (nguyên tử, điện tử, phân tử) tiếp xúc trực tiếp với nhau), vì vậy dẫn nhiệt xảy ra mạnh ở môi trường chất rắn, môi trường chất lỏng và rất ít trong chất khí Trong kim loại, truyền nhiệt bằng các điện tử tự do, vì vậy KL nào dẫn điện cao sẽ dẫn nhiệt cao Trong VLXD thì phụ thuộc vào dao động của các phân tử.

• Phương trình vi phân dẫn nhiệt một chiều (từ công thức Furie):

q = - λ.δt / δxt / δt / δxx

Áp dụng định luật Furie cho dòng nhiệt qua kết cấu bao che:

Giả thiết T1>T2 (T là nhiệt độ bề mặt KC):

qd = λ (T2 – T1) /d T2 – T1) /d

Hay qd = λ /d (T2 – T1) /d T1 – T2), kcal/m2.h hay W/m2 oC

- qd: cường độ dòng nhiệt, lượng nhiệt đi qua 1 m2 trong thời gian 1h;

- λ : hệ số dẫn nhiệt của VL, phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

+ Tính chất vật liệu (KL-sắt, nhôm… hay phi kim-gạch, gỗ, đá, kính) (kcal/ m.h.oC).

Gạch: λ = 0,65 – 0,7 kcal/m.h.oC, BTCT: λ = 1,33 kcal/m.h.oC + Độ rỗng hay tỷ trọng của VL: càng nhiều độ rỗng thì càng dẫn nhiệt càng kém, trở thành các VL cách nhiệt;

+ Độ ẩm: khi khô dẫn nhiệt kém, cách nhiệt tôt, ẩm dẫn nhiệt tốt, cách nhiệt kém;

+ Cấu trúc VL: cấu trúc tinh thể (dẫn nhiệt rất mạnh do tinh thể có cấu trúc kết hợp mạnh mẽ, nên dẫn nhiệt tốt), cấu trúc tự do, cấu trúc dạng sợi.

Dẫn nhiệt - Heat Conduction

Q = kA (T2 – T1) /d t 1 – t 2 )/ L

(joules/second)

k = thermal conductivity

[J/s-m-C]

Lượng nhiệt Q = hệ số dẫn nhiệt k x diện tích A x

chênh lệch nhiệt độ Δt / khoảng cách L

3.2.2 Đối lưu

• Xảy ra trong môi trường chất lỏng và chất khí, khi các khối chất lỏng hoạc chất khí có nhiệt

độ khác nhau, lúc đó chúng sẽ chuyển dời vị trí do tỷ trọng thay đổi vì nhiệt, do đó xảy ra đối lưu nhiệt

• Phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc gió do nhiệt mất đi hay tăng lên do bề mặt kết cấu tiếp xúc với không khí

q đ = h đ (T2 – T1) /d T – t k ), kcal/m 2 h, W/m 2 o C

- qđ : lượng nhiệt mất đi khi tiếp xúc với không khí của 1m 2 trong 1h

(kCal/m 2 h o C), (W/m 2 o C);

- h đ : phụ thuộc vào tốc độ không khí, trạng thái, vị trí và tính chất bề mặt

Tại bề mặt nhám sẽ xảy ra đối lưu kém hơn bề mặt nhẵn ;

Đối lưu trong đời sống ( Convection in life)

và trong tự nhiên (Natural Convection)

Hot water rises,

cools, and falls.

Heated air rises, cools, then

falls Air near heater is

replaced by cooler air, and

the cycle repeats.

Air above warmer ground rises.

Inversion layer Air near ground is more dense than air higher up; no convection currents to lift pollutants.

Dẫn nhiệt

(conduction)

qd = k (τ 1 - τ 2) / d

k : hệ số dẫn nhiệt của môi

trường ( vật liệu ),

0C

d: chiều dày kết cấu, m.

Trao đổi nhiệt đối lưu

(convection)

qđ = đ ( τ - tk)

tk

qb : cường độ dòng nhiệt, kcal/m2h hoặc W/m2

hđ : hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của

bề mặt kết cấu với môi trường không khí, kcal/m2h0C hoặc W/m2C

τ, : nhiệt độ bề mặt kết cấu, 0C

tk nhiệt độ không khí, 0C

τ2

d

τ1

k

q

ττ

3.2.3 Bức xạ

• Tất cả các bề mặt có nhiệt độ>độ 0 tuyệt đối đều có khả năng búc xạ nhiệt vào môi trường, vật thể có nhiệt độ cao phát ra sóng ngắn (mặt trời), vật thể có nhiệt độ thấp phát ra sóng dài (bề mặt kiến trúc – bức xạ sóng dài)

• Lượng nhiệt đơn vị vật thể bức xạ vào không gian theo định luật

Stefan-Bolzmann như sau :

q b = C(T2 – T1) /d T/100) 4 , kcal/m 2 h

- qb : lượng nhiệt đơn vị

- T : nhiệt độ bề mặt của vật, oK ;

- C : hệ số bức xạ nhiệt ;

- Co = 4,9 kCal/m2.h.K4 : hệ số bức xạ nhiệt cực đại của vật đen tuyệt đối

• Chấp nhận trao đổi nhiệt = bức xạ giữa 2 bề mặt kết cấu song song và gần nhau để đơn giản hóa bái toán trong kiến trúc

q b = h b (T2 – T1) /d T1 – T2), kcal/m 2 h

(coi như bề mặt 1 tỏa đi bao nhiêu thì bề mặt 2 nhận bấy nhiêu)

- T1, T2 : nhiệt độ bề mặt (oC)

- hb : hệ số trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa hai bề mặt ;

• h b phụ thuộc

- Nhiệt độ bề mặt vật thể;

- Hệ số bức xạ nhiệt và hấp thụ nhiệt;

- Diện tích và vị trí tương hỗ của các bề mặt.

Bức xạ nhiệt (T2 – T1) /d radiation)

Vật thể có nhiệt độ T > 0 → phát năng

lượng bức xạ

Nếu vật có nhiệt độ bề mặt T (đo bằng độ

Kelvin), làm bằng vật liệu có hệ số

bức xạ nhiệt C thì lượng nhiệt mà 1m2

bề mặt do nó phát ra trong 1 giờ là

qb= 10- 8CT4, kCal/m2h

Vật đen tuyệt đối có hệ số C = max =

C0 = 4,9 kCal/m2hK4

Vật liệu xây dựng ( vật xám) có C < C0

Bê tông C = 3,1

Gạch nung C = 4,6 – 4,7

Stefan-Boltzmann Law of Radiation Energy radiated per second:

H = eσAT4

e = emissivity (T2 – T1) /d 0 - 1)

σ = Stefan-Boltzmann constant = 5.67 x 10 -8 J/(T2 – T1) /d s- m 2 -K 4 )

A = surface area of object

T = Kelvin temperature

Ludwig Boltzmann

(1844-1906)

Bức xạ nhiệt truyền đi bằng sóng điện từ.

• Example: How much does the human body radiate?

-Body temperature = 37 C = 37 +273 = 310 K,

Estimate surface area A = 1.5 m2 e = 0.70

H = e σ A T4

= (0.70)(5.67 x 10-8)(1.5 m2 )(310)4

= 550 watts (5 light bulbs)

-The sun provides about 1000 watts per square

meter at the Earth's surface 30 % is reflected by human skin 700 watts is absorbed per square

meter

sun & solar radiation

Temperature of surface (T2 – T1) /d effective) 6000K 3.846×1026 W

energy is produced by nucle fusion, that converts hydrogen into helium

Solar cooker

Pipes in Solar Panels are Painted Black

Hấp thụ và tỏa nhiệt bằng bức xạ

• Absorption and Emission of Radiation

• Energy out = Energy in

Emitted energy/Incident energy = Emissivity = e

Black Bodies

• Black Bodies

• Summer clothing: white reflects

radiant energy better than black

• Until equilibrium is reached, white

stripes on roads are at a lower

temperature than unpainted

asphalt

Wrap an ice-cube in black cloth

and another in aluminum foil and

place both in the sunshine What

will happen?